摘要：自20世紀(jì)60年代初，PE管已被安裝用于海上輸油管道。如今，實(shí)壁PE管早已成為海運(yùn)管道最常用的材料。市場開發(fā)成功的主要原因是S型彎管施工方法的使用，將空氣填充的PE管道浮在海面上，然后通過一端充水的方法來使管道沉入海底。在管道施工過程中，管道將明顯彎曲并承受壓力和變形。對大多數(shù)管道來說，管道施工過程中所承受的應(yīng)力和應(yīng)變將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其整個(gè)服役壽命期間所承受的應(yīng)力和應(yīng)變。一般情況下，實(shí)壁PE管施工過程中的軸向應(yīng)力可能達(dá)到6-12 MPa。實(shí)壁PE管通常可以承受這么大的壓力，但是對于薄壁管(SDR標(biāo)準(zhǔn)尺寸比≥26)，管道彎曲時(shí)的不圓度非常顯著，這種現(xiàn)象將會大大提高管材的彎折風(fēng)險(xiǎn)。如今，實(shí)壁PE管道的直徑最大可達(dá)到2500mm，但擠出技術(shù)和PE材料性能限制了管材的壁厚大小，這意味著大口徑管道的SDR等級相對較高，因此其彎折的風(fēng)險(xiǎn)比小口徑、壁厚較大的管材更大。為了保證S型彎管安裝的安全性能，避免在安裝過程中造成管道損壞，管道供應(yīng)商必須計(jì)算出安裝過程中的彎曲度，給設(shè)計(jì)人員、承包商和最終用戶提供技術(shù)支持。

本文重點(diǎn)介紹了S型彎管安裝方法和經(jīng)驗(yàn)，如何計(jì)算彎曲度，以及PE100材料在高應(yīng)力水平下彈性模量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。后者對于評估S型彎管安裝工藝的安全極限非常重要，并將為管道制造商進(jìn)一步開發(fā)大口徑海洋PE管市場提供更好的設(shè)計(jì)支持。

0 概述

S型彎管安裝工藝的應(yīng)用是過去50年全球海洋PE管道市場成功發(fā)展的主要原因。采用S型彎管工藝可以保證中小口徑PE管安裝的安全性，但隨著管道尺寸的增大，安裝難度也逐步增大。為了確?？趶匠^2000mm PE管道安裝的安全，PE管道和樹脂供應(yīng)商必須進(jìn)一步對S型彎管安裝工藝進(jìn)行開發(fā)，并為承包商和最終用戶提供專業(yè)的技術(shù)支持。這種技術(shù)推廣方式應(yīng)該參考上世紀(jì)60和70年代 S型彎管剛開發(fā)時(shí)的做法。對承包商和終端用戶的技術(shù)支持，對大口徑海洋PE管道市場的進(jìn)一步發(fā)展非常重要。

1 引言

在過去的50年里，全球范圍內(nèi)海洋PE管道的市場一直在穩(wěn)步增長。PE給水和排水管材市場的快速增長主要由于大口徑PE管材（最大可至2500mm）加工工藝的進(jìn)步、PE材料耐腐蝕、PE管柔韌性、s型彎管安裝工藝的快速、有效等綜合因素。

2 海洋PE管道的S型彎管安裝方法

PE的密度接近于960kg/m3。如果沒有負(fù)載，即使在充滿水的情況下，PE管也會浮起。S型彎管的安裝方法包括通過將壓載重量加載到在水面上漂浮的填充空氣的PE管道中，使其下沉到管道的安裝位置。從管道的一端往漂浮的管中注水。在開始注水時(shí)，管道的末端開始向下彎曲。當(dāng)管道末端到達(dá)海床時(shí)，管的彎曲將逐漸改變形成S型彎管，如圖1所示。

圖1海洋PE管道的S型彎管安裝過程

當(dāng)S型彎管形成后，管道一端的進(jìn)一步注水和另一端的空氣排出將使S型彎管持續(xù)向前移動。在管道安裝過程中，管道將明顯彎曲并承受應(yīng)力和應(yīng)變。對大多數(shù)管道來說，在此過程中所承受的應(yīng)力和應(yīng)變將遠(yuǎn)高于在整個(gè)壽命期間所承受的應(yīng)力和應(yīng)變。在S型彎管安裝過程中海洋PE管道的正常下沉速度是500-700m/h。由于管道的彎曲部分在安裝過程中沿著管道方向逐漸移動，彎曲應(yīng)力通常會以持續(xù)幾分鐘的短期應(yīng)力形式作用在管道上。

20世紀(jì)50年代末，小口徑PE管的S型彎管方法開始在斯堪的納維亞半島上應(yīng)用。當(dāng)時(shí)安裝管道的SDR等級通常為17或者更小。安裝經(jīng)驗(yàn)是從實(shí)踐和問題中摸索得到的，并沒有任何進(jìn)一步的理論研究。在20世紀(jì)60年代末和70年代初，當(dāng)PE管道的制造直徑達(dá)到1200mm時(shí)，一些北歐的PE制造商開始進(jìn)一步探索S型彎管的安裝方法。瑞典咨詢公司Sweco深入?yún)⑴c了這項(xiàng)工作，他們在上世紀(jì)70年代早期進(jìn)行的大量研究，至今仍然是S型彎管安裝方法的理論基礎(chǔ)。S型彎管的安裝方法看起來可能非常簡單，但是這個(gè)方法需要大量的專業(yè)技術(shù)支撐，并且其安裝難度隨著管道直徑的增大而增加。

通過使用S型彎管的安裝方法，使直徑超過2000mm的實(shí)壁PE管道可以被安全地使用，因此大口徑海洋PE管的市場得以發(fā)展。

3 影響管道彎曲的參數(shù)

為了更好地了解哪些參數(shù)會影響管道的彎曲，可以將S型彎管分成3個(gè)部分，如圖2所示：

A)在海床上的管道為一部分；

B)從海底到水面的管道為一部分；

C)管道的浮動部分。

圖2 PE管道S型彎管的安裝

在A部分，壓載塊被放置于海床上，并作為管道的支撐物。管道通過變形使其形狀與海床的形狀相匹配，而壓載塊依據(jù)海床的柔軟性可能部分沉入海底。與B部分相比，A部分管道的應(yīng)力和應(yīng)變較低。影響A部分管道彎曲性的因素是管道的軸向剛度和海床的柔軟度。A部分管段的最大彎曲出現(xiàn)在A-B部分的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處。因此通常認(rèn)為，堅(jiān)硬的海床將會在A-B轉(zhuǎn)折點(diǎn)處產(chǎn)生更高的彎曲度。

在C部分，浮動管充當(dāng)彈性基底的橫梁。管道的彎曲取決于管道的軸向剛度和基底的彈性系數(shù)，在這種情況下其直接與管道的外徑、SDR等級和壓載的比例有關(guān)。此部分管道的最大彎曲發(fā)生在B-C部分的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

管道B部分的下部是充滿水的，而上部充滿空氣。這部分管道中水位的深度大致等于海水深度乘以管道受壓載產(chǎn)生位移的百分比，如圖2所示。這一部分管道會承受最大的應(yīng)力和應(yīng)變，而其彎曲度取決于管道的軸向剛度、壓載塊、拉力，以及在A-B和B-C各自轉(zhuǎn)折點(diǎn)上的彎曲力矩和剪切力。

總而言之，海洋PE管道的S型彎管安裝的彎曲半徑將取決于：

——水深；

——壓載塊的數(shù)量；

——管道的軸向剛度；

——浸沒在水中的軸向拉力。

由于實(shí)壁管的軸向剛度是管道公稱外徑、SDR和管道彈性模量的函數(shù)，在計(jì)算彎曲度時(shí)需要的輸入值為：

——水深、壓載力、拉力、管道外徑、標(biāo)準(zhǔn)尺寸比值和彈性模量。

計(jì)算管道彎曲度的所有輸入數(shù)據(jù)除PE材料的彈性模量以外都是定值。而彈性模量取決于：

——應(yīng)力水平；

——承受時(shí)間；

——溫度。

為了得到管材彎曲度的精確值，材料彈性模量相對值的選擇很重要。由于PE材料的彈性模量具有一定程度的時(shí)間依賴性，因此這意味著下沉速度也會影響管道的彎曲度。

4 S 型彎管方法的局限性

在S型彎管的下沉過程中，要利用 PE管材高柔韌性的特點(diǎn)。盡管PE管道能夠承受大于2.5%的應(yīng)變，但通常建議其最大應(yīng)變值在2.5%以內(nèi)。這相當(dāng)于彎曲半徑值是管道外徑的20倍，但只有管壁相對較厚的管材才可以承受如此程度的彎曲而不會扭結(jié)。由于扭結(jié)使得管道不圓度迅速增加，最終導(dǎo)致管道出現(xiàn)折疊。彎曲過程中不圓度的增加可通過下列公式計(jì)算：

δ/D = 6.25*(SDR-1)2/(R/D)2

其中：

δ/D=不圓度的增加值(%)；

SDR=管材的標(biāo)準(zhǔn)尺寸比（公稱外徑/壁厚）；

R=管材的彎曲半徑 (m)；

D=管材的公稱直徑 (m)。

在彎曲半徑大的情況下，不圓度的增加程度會很小。但在較高的彎曲度時(shí)，不圓度的增加程度會相當(dāng)顯著。當(dāng)不圓度增大時(shí)，管道的慣性矩將減小。這意味著管道的彎曲部分將承受越來越高的應(yīng)力，最終將會迅速彎折。實(shí)際上當(dāng)不圓度的比例達(dá)到8%時(shí)，即可將其定義為扭結(jié)的起點(diǎn)。為了確保管材彎曲時(shí)的安全系數(shù)，S型彎管安裝時(shí)PE管的可允許彎曲度通常被限制在最大不圓度的4%以內(nèi)。圖3顯示了在S型彎管安裝過程中，不同SDR的PE管道的彎曲程度、屈曲極限以及彎曲導(dǎo)致的應(yīng)變水平。

圖3 PE管材彎曲造成的不圓度

從圖3可以看出，管道的SDR值對管道安裝中的允許彎曲度有很大的影響。在低壓運(yùn)行下的給水和排水管道通常采用SDR在26-33之間的PE管道。這種管道可以在大約12-20m深的S型彎管中安全使用。而SDR高于33的PE管材由于較低的耐彎曲性能，不能用于 S型彎管的安裝。

5 管徑的影響

目前由于管壁厚度大于110mm的實(shí)壁PE管材擠出加工困難，因此直徑2500mm PE管SDR值≥26。盡管SDR≤17 PE管材可以在沒有扭結(jié)風(fēng)險(xiǎn)下極大地彎曲，并且管道的S型彎管方法可在很深的水深下安全使用，但SDR≥26的大口徑PE管材的S型彎管安裝工藝需要準(zhǔn)確計(jì)算及密切監(jiān)測其下沉操作過程，以確保安全。

提高S型彎管工藝安全性的一種方法是在管道下沉?xí)r，通過拖船對管道提供一個(gè)軸向拉力。該軸向拉力在一定程度上使管道變直，并減少S型彎管的彎曲度，如圖4所示。

圖4 通過施加管道的軸向拉力而減小的彎曲度

從圖4中可以看出，軸向拉力減小了管道的彎曲度和B部分管道的斜率。這也意味著部分浮動的C段管段也被向下推，并且產(chǎn)生一個(gè)上升力。上升力的大小與管道的浮力有關(guān)，因此大口徑的管道需要更大的拉力來減小彎曲。拖船通?？梢援a(chǎn)生25-50噸的拉力，可在不同程度上減少管道（最大管材直徑可達(dá)1800mm）的彎曲。為了顯著減少管徑超過2000mm管道的彎曲，拉力必須非常大，以至于通常不可能通過拖船來提供。這就意味著中小型管道可通過該拉力來減少彎曲度；而大口徑管道 (外徑超過2000mm)彎曲度的降低程度很小。

由于大直徑管道具有較高的SDR，并且軸向拉力對控制管道的彎曲度沒有太大的幫助，因此大口徑PE管道的S型彎管安裝工藝非常重要，而且需要進(jìn)一步的研究以確保其安全性。

6 討論

如上所述，當(dāng)采用S型彎管安裝方法施工海洋PE管道時(shí)，安裝難度會隨著管道的直徑和SDR的增大而增高。SDR為33的PE管道（可采用S型彎管安裝方法施工海洋PE管的最高SDR值），相當(dāng)于PN5（公稱壓力）的管材。而該種管道已完全能夠承受海洋管整個(gè)壽命中作為進(jìn)水管和出水管時(shí)的壓力。因此低壓力海洋PE管道的S型彎管安裝工藝設(shè)定了管材壁厚的極限值。

圖5 中止下沉所造成的彎曲度增加

SDR 33的管材在彎曲時(shí)對扭轉(zhuǎn)非常敏感。因此確保管材在彎曲時(shí)不超過極限值是非常重要的。海洋PE管S型彎管安裝的正常下沉速度為500-700m/h。由于管道彎曲部分在安裝過程中逐漸沿著管道移動，彎曲應(yīng)力通常呈現(xiàn)為持續(xù)幾分鐘的短期應(yīng)力。然而中斷安裝將致使彎曲的持續(xù)時(shí)間更長，從而導(dǎo)致彈性模量降低，彎曲增大(更小的彎曲半徑)，如圖5所示。

如果在中止作業(yè)之前管道彎曲度在可允許彎曲的極限值附近，那么持續(xù)幾小時(shí)的中止作業(yè)將使彈性模量降低，在一定程度上可能出現(xiàn)管道屈曲失效的危險(xiǎn)，參見圖6。

圖6 中止施工對安全系數(shù)的降低

因此在S型彎管的安裝過程中，較高應(yīng)力水平下PE100樹脂彈性模量值的精確性極其重要。在上世紀(jì)60年代和70年代早期PE管道開始與其他材料競爭時(shí)，PE樹脂制造商不得不向用戶提供了一套完整的材料彈性模量數(shù)值，用于解釋PE材料的粘彈性行為。第一代高密度PE管道的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系，如圖7所示。

由于彈性模量與應(yīng)力/應(yīng)變比呈對應(yīng)關(guān)系，因此可以很容易地從圖7曲線中推算出彈性模量曲線。對于第一代PE樹脂，可以推算出應(yīng)力水平高達(dá)5MPa時(shí)的彈性模量相對值。如今PE100樹脂被廣泛應(yīng)用于各種不同的管道領(lǐng)域中，其最高應(yīng)力水平可高達(dá)8MPa。但不同PE100樹脂的應(yīng)力/應(yīng)變曲線卻很少提供。在大多數(shù)情況下，PE100管道的彈性模量值對于管道設(shè)計(jì)來說是足夠的。但為了更準(zhǔn)確地評估S型彎管方法安裝海洋PE管道的安全系數(shù)，則需要更進(jìn)一步的彈性模量的信息。具體來說，在應(yīng)力水平高達(dá)12MPa和持續(xù)時(shí)間長達(dá)100h條件下的彈性模量相對值，對彎曲半徑的精確估算和安全系數(shù)的準(zhǔn)確評估有極大的幫助。

圖7 第一代HDPE管材在+20℃ 下的應(yīng)力/應(yīng)變曲線，虛線為外推值

PE管道制造商通常從PE樹脂生產(chǎn)廠家購買PE管材專用料(含有添加劑和色母)，在擠出生產(chǎn)時(shí)不添加任何其他的添加劑。因此PE管的性能幾乎完全取決于所使用的PE樹脂。大多數(shù)PE管樹脂具有相似的性能，而且其選擇通常由管道制造商決定，管道的終端用戶不會考慮到樹脂的選擇。對于大多數(shù)管道應(yīng)用領(lǐng)域，管道的彈性模量信息對于管道設(shè)計(jì)已經(jīng)足夠。但對于一些特殊領(lǐng)域，例如S型彎管方法安裝大口徑管道，則需要更準(zhǔn)確的彈性模量設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

即使所有PE100樹脂被測試并論證其長期強(qiáng)度超過10MPa，也不能保證它們會有相同的應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系，即相同的彈性模量值。如果不同品牌的低熔垂PE樹脂在彈性模量值上存在顯著差異，那么管道制造商對于PE樹脂的選擇將會變得非常重要。目前，計(jì)算機(jī)軟件（例如Orcaflex和Zenriser）可被用來計(jì)算管道在安裝時(shí)的彎曲值。但除非有更可信的彈性模量值，軟件的進(jìn)一步計(jì)算也會受到限制。

大口徑PE管道采用S型彎管方法的安裝，對于安全系數(shù)的準(zhǔn)確評估是重要的設(shè)計(jì)問題之一。由于S型彎管工藝提供了長管段的快速安裝方法，這也意味著如果出現(xiàn)錯(cuò)誤就會造成巨大的損失。因此，為了能夠給承包商和終端用戶提供建議，并盡量避免安裝失誤，大口徑PE管道制造商必須對安裝過程深入了解。后者對于確保大口徑海洋PE管道市場的未來發(fā)展具有重要意義。

7 結(jié)論

對于大多數(shù)的大口徑海洋PE管道，管道的長期使用強(qiáng)度并不是其設(shè)計(jì)極限強(qiáng)度。PE材料的應(yīng)變特性和管道安裝時(shí)的扭結(jié)風(fēng)險(xiǎn)決定了管道的設(shè)計(jì)。

通過選擇較低SDR的PE管道可以顯著降低安裝風(fēng)險(xiǎn)。這種方法適用于中小型PE管道，而不會大幅度增加成本。但對于直徑2500mm以上的PE管道，增加管道壁厚會造成成本的大幅度增加。

整體而言，S型彎管工藝在大口徑PE管道中的安裝要比中小型PE管道難度大，其需要對安裝的安全系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的評估。

為了保證大口徑海洋PE管道安裝的安全，PE管和樹脂制造商必須致力于進(jìn)一步發(fā)展S型彎管的安裝方法，并為承包商和最終用戶提供專業(yè)的技術(shù)，就如同曾在20世界60年代和 70年代時(shí)S型彎管工藝最初應(yīng)用時(shí)一樣進(jìn)行大量研究。

PE管道制造商應(yīng)向承包商和最終用戶提供足夠的技術(shù)支持。這對于確保大口徑海洋PE管道市場的進(jìn)一步發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。